舰载机远程维修支援系统功能设计研究

张旭冉 颜世东 杨望灿/ 9900 部队 9404 部队

0 引言

远海大洋是航母编队部署的重点区域，其根据海上战略、军事需求遂行多样化任务。舰载机是航母及大型水面舰船的核心作战力量，完好性对编队使命达成具有决定性作用。然而，远海舰载飞机的航空保障及维修支援面临资源有限、通信受限、空间局限、技术缺陷等短板弱项，存在诸多难点和挑战，尤其是高精度、复杂性、时效急的飞机疑难杂症故障，定位难度大、排故技术高、恢复时间长，急需陆基研制厂所及领域专家的远程支援。

鉴于传统的维修方式在广域、复杂、紧急状况下无法完全满足作战保障要求，基于卫星通信、增强现实、智能穿戴、知识图谱等技术的远程维修支援系统已开始应用实践。程占昕等[1]利用现有的北斗卫星通信资源和能力，研究了舰载雷达远海维修支援系统的关键技术，实现了故障信息快速交互和专家远海支援，对维修人员进行现场维修指导。郭子豪等[2]提出以AR 智能眼镜为基础提供可视化的信息支持，从而替代繁杂的工作手册、流程图、对讲机等工作装备，并实现专家故障会诊，提高航空机务的问题解决力与效率值。崔海青等[3]提出一种基于HoloLens 的飞机维修远程指导系统，采用改进的P 算法对重点维修部位进行标注，提高维修人员对专家给出的特定维修部位和重点维修流程的理解程度。以上技术应用在远程维修支援问题解决上都进行了有益探索，但距离功能适用、可靠稳定、高效灵活的要求还存在一定差距，主要原因一方面是技术尚未完全成熟，另一方面是研制厂所跨行业、多领域，体系化解决问题能力尚未形成，设备使用中存在研用分离、水土不服现象，需要论证方、研制方、试验方、使用方在信息融合、要素集成的大背景下科学联动。本文基于实践应用提出功能构想，为新武器装备保障的信息化、智能化建设提供有益探索。

1 国内外远程维修支援研究现状

国外在军用装备维修支援方面的研究时间较早且已开展应用实践，多家研究机构及军火商经过深入研究和战场摸索，已经取得了一系列成果。

波音公司研究员Tom Caudell 于1990 年首次提出“增强现实”技术概念，并将其应用于飞机制造中的辅助布线系统，掀起一股设备维修支援与虚拟现实技术相结合的潮流[4]。2015 年，在美国陆军的需求下，哥伦比亚大学开发了一套面向装甲运输车炮塔的辅助维修支援系统[5]，提升了作战人员的维修技能和效率，如图1 所示。

我国则在20 世纪80 年代开始了装备维修、任务支援、保障自动化方面的研究。随着国防和军队改革的深入，军事装备维修体制和保障模式进入快车道，虚拟设计、增强现实和网信互通等人机交互技术得到了持续深入探索，但在复杂系统设计装配、装备虚拟维修等领域的应用技术尚不成熟。

2 远程维修支援面临的难点

受任务特点和条件制约，舰载机远海维修作业与传统陆基作业截然不同，换件替代是目前保障的主要方式，但遇到特殊情况，则必须取得领域专家和解决方案的支援，开展此类工作还面临诸多难点和瓶颈。

1）远距高速通信难以达成

远程维修支援系统必须通过平台外卫星通信、平台内有线/无线网络实现信息传输。卫星通信方面，虽然覆盖范围广、通信距离远，但带宽条件有限、信息传输不稳、视频交互不清。舰内通信方面，有线网络难以方便快捷地抵达维修地点，无线网络受船舱隔离屏蔽，传输距离较短，无法做到跨越覆盖。

2）话音画面识别尚不精确

航空维修人员工作的环境嘈杂，背景噪声较大，目前话音识别技术的精确度和适应性还有差距。在基于视频流的专家指导方式下，维修过程中受光照条件、拍摄角度、距离空间等环境方面因素的影响，成像效果不佳。维修环境和虚拟技术的融合难以获得完全匹配的效果，维修过程中将文字、声音、标注等叠加于飞机的部件上不够精准，如图2所示。

3）数据资料知识管理低效

当前飞机相关数据资料包罗万象，研制方案、试验报告、维修手册、故障案例、三维模型等不胜枚举，主要介质还是纸质资料和电子网页。纸质版本查阅不方便；网页版本的手册便于维护但要点零散、关联度低，不同机型几乎没有相互参考性和相互指导性。寻找颗粒度更小、关联度更高的数据保障方式成为远程维修迫切需求。

4）集成攻坚技术相对困难

舰载机远程维修支援技术的实现，需要地理上跨越岸海空天，平台上联通卫星舰机，技术上融合虚拟与现实，系统建设中需要军队和地方几十个部门的参与协同，流程复杂且烦琐，因数据信息的敏感性，传输过程中各环节均需数据解密和技术交底，使得信息化系统的设计和联通面临更大的困难。

图1 美军装甲运输车炮塔辅助维修支援系统

图2 基于视频流的远程支援指导识别不够精准

3 系统组成及功能设想

随着新一代卫星通信技术的推广应用，以及AR 辅助维修在远程协助领域的日渐成熟，实现稳定、流畅、清晰的岸舰维修指导不再是空中楼阁。加强远程专家的参与程度，能够随时切换观察视角，便捷获取维修领域图谱知识，保障专家与设备的交互以及对维修人员的指导，实现专家赋能到现场人员，以更小信息量的方式支持双方的远程通信，将是未来解决复杂性故障的有效手段。

舰载机远程维修支援系统的组成主要包括智能维修采集系统（维修端）、通信网络支持系统（服务端）、维修支援会议中心（专家端）三部分。这三部分在软件上以综合调度、数据仓库、知识图谱为基础，在硬件上以可穿戴头盔、视频会议系统、监控系统和融合网络为基础，通过全面系统、密不可分的结合，构成一个完整的环路。其组成及功能流程如图3 所示。

3.1 智能维修采集系统（维修端）

智能维修采集系统由两部分组成，分别为舰载机维修部署地和舰内多系统数据整合中心。舰载机维修部署地由机务维修、可穿戴AR 头盔、视频会议、数据采集、环境监控等分系统组成，实现舰载机故障现场维修、细节呈现、数据监控与采集、操作步骤记录等功能。舰内多系统数据整合由机务中心、指管系统、飞参室、数据中心等多个系统设备联合组成“内网云”，负责在舰船平台内部为舰载机维修提供方案计划、知识资料、信息传递以及数据记录。

图3 舰载机远程维修支援系统功能及流程设想

当舰载机出现复杂故障时，机务维修人员可根据“内网云”的故障案例、维修示例、部件模型、专家视频等信息进行检索，经分析定位故障，实施故障定位自主维修。未能完成故障定位与维修修复的，可通过通信网络支持系统申请专家系统远程协助乃至多方会诊支援，提供图像、视频、声音、文字等数据进行远程专家线上诊断，可穿戴AR头盔、使用增强现实眼镜作为交互及显示设备，开展虚实融合工作获取专家引导信息，直至完成装备维修。维修完成后，维修过程中的各种多媒体记录和过程数据可整理为新的案例，自动对故障数据库进行案例的增广，形成知识积累和传承。系统的测试与联调由舰船总体设计单位牵头组织，进行系统驱动、连贯调试。

3.2 通信网络支持系统（服务端）

通信网络支持系统由两部分组成，分别为岸舰卫星远程通信支持和舰内综合信息传输保障。岸舰卫星远程通信支持使用卫星通信手段，提供稳定、可靠的远海通信保障能力。岸基方面，围绕军事综合信息网为核心构建，以研制服务商、专业院校、友邻部队、领域第三方为代表构成联合支援机构，所有“中心”“节点”和独立“终端”都以“协同云”形式，通过维修支援中心平台接入岸基军事综合信息网。舰基方面，舰内多系统数据整合中心依托舰用卫星通信系统接收/发送话音、文电、数据、视频等业务数据。舰内综合信息传输保障基于全舰信息网络构架，参与系统的网络、计算、存储等公共信息基础设施统筹与公用，实现维修支援各战位的互联互操、无缝流转，提升信息共享和综合决策能力。

当舰载机出现复杂故障需远程维修支援时，系统基于岸舰卫星远程通信支持以及舰内综合信息传输保障构建综合数据传输信道，依托舰内外的通信系统、军事综合信息系统、视频监视系统、视频会议系统、全舰信息网络中心、岸基接入系统，通过联合内外通信实现与岸基远程维修技术支援中心的互动。当带宽足够时，优先保障画质与清晰度以支持精细化维修支援；当带宽有限或网络波动时，可采用“窄带”传输模式，首要保证画面流畅传输，降低延时和卡顿。目前卫星通信技术进入到高速发展阶段，很好地弥补了以往在区域覆盖、信息稳定、带宽不足等方面受到的限制。

3.3 维修支援会议中心（专家端）

维修支援会议中心由三部分组成，分别为专家会商指导平台、信息与资源数据库、数据服务技术平台。专家会商指导平台由联合支援机构的研制服务商、专业院校、友邻部队、领域第三方为终端节点组成，硬件平台可依托现单位资产资源，统一部署运行专家会商指导平台软件系统。信息与资源数据库采用知识图谱技术，囊括了飞机性能、机务维修、操作手册、故障案例、行业标准等一系列图形式结构化数据资料信息，可梳理多个事件间的逻辑联系，深入挖掘故障信息，指导专家与机务维修人员搜索、查询、比对。数据服务技术平台提供画面优化、远程调度、虚拟呈现、智能辅助、数据分析、卫星通信、事件记录等基础功能，保障系统在应用中满足视频采集素材准确、清晰，麦克风收音正常、可识别，调度指引可靠、灵活，分析呈现多样、直观。

当舰载机出现复杂故障需远程维修支援时，舰内机务人员发出远程维修支援申请，岸基维修中心值班人员综合调度任务与专家，在预定时间研制总师及领域专家可利用本地办公条件运行软件系统入网会商，前端军事综合信息网接入平台，配置安全加密芯片经安全接入确认后由卫星通信链接舰载频道，实现音视频同步、虚拟指导、同步维修的实时交互，维修人员在高识别度的标识图与精准叠加的AR 模型上精细操作。在需要调阅资料、数据时，将以知识图谱技术为基础自动生成的图文合成信息推送给机务维修人员，帮助机务人员查询、搜索和参考，提高维修效率与智能化。

4 结束语

舰载机维修支援是遂行远洋任务的保障基础，为了保证维修能力、解决修理难题，本文提出了远程维修支援系统的思路，依托现有岸舰卫星通信系统以及岸基通信网等资源设施，使用AR 增强现实与远程协助技术，为远海舰载机维修涉及的技术支援、远程监测、问题诊断、故障维修、经验反哺提供可靠的、网络化的共享知识协同环境，同时整合岸基领域专家资源，实现关键指导、知识共享、数据挖掘、集成管理等运维流转，从而有效推进航空装备维修与管理不断创新发展。